次の4つの不定積分を求めます。 (1) $\int \tan^4 x dx$ (2) $\int \frac{dx}{\sin 2x}$ (3) $\int \frac{1}{1-\sin x} dx$ (4) $\int (\sin^3 x - \cos^3 x) dx$

解析学不定積分三角関数積分
2025/7/10

1. 問題の内容

次の4つの不定積分を求めます。
(1) tan4xdx\int \tan^4 x dx
(2) dxsin2x\int \frac{dx}{\sin 2x}
(3) 11sinxdx\int \frac{1}{1-\sin x} dx
(4) (sin3xcos3x)dx\int (\sin^3 x - \cos^3 x) dx

2. 解き方の手順

(1) tan4xdx\int \tan^4 x dx の場合:
tan4x=tan2xtan2x=tan2x(sec2x1)=tan2xsec2xtan2x=tan2xsec2x(sec2x1)\tan^4 x = \tan^2 x \cdot \tan^2 x = \tan^2 x (\sec^2 x - 1) = \tan^2 x \sec^2 x - \tan^2 x = \tan^2 x \sec^2 x - (\sec^2 x - 1)
tan4xdx=(tan2xsec2xsec2x+1)dx=tan2xsec2xdxsec2xdx+dx\int \tan^4 x dx = \int (\tan^2 x \sec^2 x - \sec^2 x + 1) dx = \int \tan^2 x \sec^2 x dx - \int \sec^2 x dx + \int dx
ここで、tan2xsec2xdx=(tanx)2(tanx)dx=13tan3x+C1\int \tan^2 x \sec^2 x dx = \int (\tan x)^2 (\tan x)' dx = \frac{1}{3} \tan^3 x + C_1
sec2xdx=tanx+C2\int \sec^2 x dx = \tan x + C_2
dx=x+C3\int dx = x + C_3
よって、tan4xdx=13tan3xtanx+x+C\int \tan^4 x dx = \frac{1}{3} \tan^3 x - \tan x + x + C
(2) dxsin2x\int \frac{dx}{\sin 2x} の場合:
sin2x=2sinxcosx\sin 2x = 2 \sin x \cos x より、dxsin2x=dx2sinxcosx=12dxsinxcosx=12sin2x+cos2xsinxcosxdx=12(sinxcosx+cosxsinx)dx=12(tanx+cotx)dx=12(sinxcosx+cosxsinx)dx=12(lncosx+lnsinx)+C=12lnsinxcosx+C=12lntanx+C\int \frac{dx}{\sin 2x} = \int \frac{dx}{2 \sin x \cos x} = \frac{1}{2} \int \frac{dx}{\sin x \cos x} = \frac{1}{2} \int \frac{\sin^2 x + \cos^2 x}{\sin x \cos x} dx = \frac{1}{2} \int (\frac{\sin x}{\cos x} + \frac{\cos x}{\sin x}) dx = \frac{1}{2} \int (\tan x + \cot x) dx = \frac{1}{2} \int (\frac{\sin x}{\cos x} + \frac{\cos x}{\sin x}) dx = \frac{1}{2} (-\ln |\cos x| + \ln |\sin x|) + C = \frac{1}{2} \ln |\frac{\sin x}{\cos x}| + C = \frac{1}{2} \ln |\tan x| + C
別の解法:dxsin2x=12sinxcosxdx=12tanxcos2xdx=12sec2xtanxdx\int \frac{dx}{\sin 2x} = \int \frac{1}{2 \sin x \cos x} dx = \int \frac{1}{2 \tan x \cos^2 x} dx = \frac{1}{2} \int \frac{\sec^2 x}{\tan x} dxu=tanxu = \tan x とすると、du=sec2xdxdu = \sec^2 x dx より、12duu=12lnu+C=12lntanx+C\frac{1}{2} \int \frac{du}{u} = \frac{1}{2} \ln |u| + C = \frac{1}{2} \ln |\tan x| + C
(3) 11sinxdx\int \frac{1}{1-\sin x} dx の場合:
11sinxdx=1+sinx(1sinx)(1+sinx)dx=1+sinx1sin2xdx=1+sinxcos2xdx=(1cos2x+sinxcos2x)dx=sec2xdx+sinxcos2xdx=tanx+sinxcos2xdx\int \frac{1}{1-\sin x} dx = \int \frac{1+\sin x}{(1-\sin x)(1+\sin x)} dx = \int \frac{1+\sin x}{1-\sin^2 x} dx = \int \frac{1+\sin x}{\cos^2 x} dx = \int (\frac{1}{\cos^2 x} + \frac{\sin x}{\cos^2 x}) dx = \int \sec^2 x dx + \int \frac{\sin x}{\cos^2 x} dx = \tan x + \int \frac{\sin x}{\cos^2 x} dx
sinxcos2xdx\int \frac{\sin x}{\cos^2 x} dx について、u=cosxu = \cos x とすると、du=sinxdxdu = -\sin x dx より、sinxcos2xdx=duu2=1u+C=1cosx+C=secx+C\int \frac{\sin x}{\cos^2 x} dx = \int \frac{-du}{u^2} = \frac{1}{u} + C = \frac{1}{\cos x} + C = \sec x + C
よって、11sinxdx=tanx+secx+C\int \frac{1}{1-\sin x} dx = \tan x + \sec x + C
(4) (sin3xcos3x)dx\int (\sin^3 x - \cos^3 x) dx の場合:
sin3x=sinx(1cos2x)=sinxsinxcos2x\sin^3 x = \sin x (1-\cos^2 x) = \sin x - \sin x \cos^2 x
cos3x=cosx(1sin2x)=cosxcosxsin2x\cos^3 x = \cos x (1-\sin^2 x) = \cos x - \cos x \sin^2 x
(sin3xcos3x)dx=(sinxsinxcos2xcosx+cosxsin2x)dx=sinxdxcosxdxsinxcos2xdx+cosxsin2xdx=cosxsinxsinxcos2xdx+cosxsin2xdx\int (\sin^3 x - \cos^3 x) dx = \int (\sin x - \sin x \cos^2 x - \cos x + \cos x \sin^2 x) dx = \int \sin x dx - \int \cos x dx - \int \sin x \cos^2 x dx + \int \cos x \sin^2 x dx = -\cos x - \sin x - \int \sin x \cos^2 x dx + \int \cos x \sin^2 x dx
sinxcos2xdx\int \sin x \cos^2 x dx について、u=cosxu = \cos x とすると、du=sinxdxdu = -\sin x dx より、sinxcos2xdx=u2du=13u3+C=13cos3x+C\int \sin x \cos^2 x dx = \int -u^2 du = -\frac{1}{3} u^3 + C = -\frac{1}{3} \cos^3 x + C
cosxsin2xdx\int \cos x \sin^2 x dx について、u=sinxu = \sin x とすると、du=cosxdxdu = \cos x dx より、cosxsin2xdx=u2du=13u3+C=13sin3x+C\int \cos x \sin^2 x dx = \int u^2 du = \frac{1}{3} u^3 + C = \frac{1}{3} \sin^3 x + C
よって、(sin3xcos3x)dx=cosxsinx(13cos3x)+13sin3x+C=cosxsinx+13cos3x+13sin3x+C\int (\sin^3 x - \cos^3 x) dx = -\cos x - \sin x - (-\frac{1}{3} \cos^3 x) + \frac{1}{3} \sin^3 x + C = -\cos x - \sin x + \frac{1}{3} \cos^3 x + \frac{1}{3} \sin^3 x + C

3. 最終的な答え

(1) tan4xdx=13tan3xtanx+x+C\int \tan^4 x dx = \frac{1}{3} \tan^3 x - \tan x + x + C
(2) dxsin2x=12lntanx+C\int \frac{dx}{\sin 2x} = \frac{1}{2} \ln |\tan x| + C
(3) 11sinxdx=tanx+secx+C\int \frac{1}{1-\sin x} dx = \tan x + \sec x + C
(4) (sin3xcos3x)dx=cosxsinx+13cos3x+13sin3x+C\int (\sin^3 x - \cos^3 x) dx = -\cos x - \sin x + \frac{1}{3} \cos^3 x + \frac{1}{3} \sin^3 x + C

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